SPI在辽阳季节性干旱评价中的应用研究

毕 海

(辽宁省辽阳水文局,辽宁 辽阳 111000)

干旱是一种降水少、水资源量少，不足以满足人的生存和经济发展的气候现象[1-5]。干旱一经发生，严重时农业致灾、工业建设受制约、生态环境破坏、人类生存面临困难。干旱作为一种环境问题，近年来全国各地频发，极端干旱频现，是制约社会经济发展的重要自然灾害之一[6-9]。因此干旱的预警预测、抗旱治旱是十分重要且必要的。干旱评价作为干旱预警及抗旱的基础，是不可缺少的，同时季节尺度的干旱评价对农业抗旱具有重要的参考意义[10-15]。

辽阳市位于辽宁省中部，大陆性季风气候，东部山区，西部平原，降水时空分布不均。近年来受气象因素影响，水资源短缺，水环境问题加剧，农业需水不足，干旱问题日益突出。

1 材料与方法

采用辽阳地区气象监测月数据，选取1970—2015年46年系列数据，采用一个水文年四季划分时段，3—5月为春季、6—8月为夏季、9—11月为秋季、12月—次年2月为冬季，并采用相关分析法对缺测数据的站点进行插补，构建辽阳地区季尺度的水文序列。

SPI指数是一种基于降水量及其平均值之间的偏离程度对干旱情况进行计算评价的方法。

SPI是一种适用于不同尺度的表征降水量出现概率的一种指标，采用Γ分布概率进行降水量描述，将偏态概率分布转换为正态标准化，进而用标准化降水累计频率评估干旱状态，主要计算公式为：

(1)

其中:S为概率密度正负系数，γ、β分别为Γ函数的尺度参数、形状参数；c0=2.515 517，c1=0.802 853，c2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。G(x)为与Γ函数相关的降水分布概率；x为降水量样本值。当SPI>-0.5，为无旱；-0.5≥SPI>-1，为轻旱；-1≥SPI>-1.5，为中旱；-1.5≥SPI>-2，为重旱；SPI≤-2，为特旱。

2 结果与分析

2.1 季节干旱发生情况

绘制季节SPI干旱指数曲线，见图1、图2。从图可知，辽阳地区1970—2015年季节尺度SPI指数波动明显，辽阳地区季节性旱涝变化剧烈。春季干旱指数显示，1970年、1993年、2004年春季重旱；1989年中旱、2001—2002年连续2年中旱；1978年、1980年、1984年、1992年、2011年、2014年及1996—1997年，共8年春季轻旱。夏季干旱指数显示，1977—1981年发生连续5年干旱，1988—1989年、2014—2015年两次发生连续2年干旱；1978—1979年连续重旱、2009年、2014年发生重旱或特旱；1972年、1989年、1992年、2000年、2007年，共5年中旱；1974年、1977年、1988年、1997年、2003年、2015年及1980—1981年，共8年夏季轻旱。秋季干旱指数显示，1997年、2008年发生重旱；有4年中旱发生；有7年轻旱发生；2001—2002年连续2年轻旱，未发生连续多年干旱；冬季干旱指数显示，1974年、2012年冬季特旱或重旱；有4年发生中旱；有9年发生轻旱；且1973—1975年发生连续3年干旱，1995—1996年连续2年轻度干旱。

综合分析四个季节干旱发生情况，四个季节中同时发生干旱次数仅1年，即2014年出现四个季节发生干旱，有11年中四个季节均为无旱，为1971年、1976年、1983年、1987年、1990年、1994年、1997年、1998年、2006年、2010年、2013年。其他年份在不同季节发生干旱，其中1997年春夏秋3个季度连续干旱，1978年、1980年、1989年、1992年、1997年、2014年6年春旱夏旱同时发生，3年夏旱秋旱同时发生、5年秋旱冬旱同时发生，3年冬旱春旱同时发生。经过对旱情调查史志分析和实地走访调查，SPI指数评价结果合理。

图1 秋季、冬季SPI指数曲线

图2 春季、夏季SPI指数曲线

2.2 干旱发生频次分析

1970—2015年系列中76%占比的年份中在不同季节发生干旱，统计各季节1970—2015年干旱发生频数，结果见表1。辽阳地区夏季发生干旱频率最高，次之为冬季，再次为春季与秋季。辽阳地区夏季与冬季发生过特旱，夏季特旱出现在2014年，冬季特旱出现在1974年；重旱发生频率在春季与夏季较高；中度干旱在夏季发生频率最大，春季最小。在辽阳地区，对于作物生长而言，秋季是收割的季节，干旱对作物的影响是最小的。根据SPI指数统计可知，虽然冬旱发生频率较高，但辽阳地区冬季种植农作物较少，且仅冬季土壤的含水对春季耕作稍有影响，故冬旱对农作物影响较小。夏旱、春旱对农作物的影响是较大的，虽然夏季雨水较多，但夏季极端天气较容易出现，故夏季重旱、特旱频率高于其他季节；春季重旱发生的概率较秋冬季重旱发生概率大。春季和夏季是农作物生产的关键季节，发生干旱对农作物生长及其产量影响较大，特别是春夏连续干旱，此时则需对农作物进行人工地表、地下调配灌溉补给作物生产用水。

表1 不同季节发生不同程度干旱频率统计表 %

2.3 干旱趋势分析

根据辽阳地区春季、夏季、秋季、冬季SPI指数，同时采用曲线趋势斜率共同检验辽阳季节尺度干旱的趋势演变。计算结果见表2。SPI指数趋势分析结果表明，46年系列中春季、冬季干旱趋势特征一致，SPI指数总体呈现增大趋势，说明春旱、冬旱呈减弱趋势，且春旱波动变幅小，冬旱减弱幅度大；夏秋季节干旱趋势特征一致，SPI指数总体呈减小趋势，说明夏旱、秋旱呈增强趋势，且夏旱增强趋势更大。

表2 辽阳地区1970—2015年干旱趋势特征值

3 结 语

以1970—2015年气象数据为基础，采用SPI指数，以季度为尺度，研究辽阳地区干旱情况。1970—2015年辽阳地区季节尺度旱涝变化剧烈，极端干旱频率发生较低；各季节年际间连续干旱发生概率小，均未出现有连续2年严重干旱；且未出现年内连续2个季节严重干旱，且四个季节连续发生干旱频率较低。夏季干旱事件更易发生，且春季、夏季重旱发生概率较大，需要对春季、夏季干旱预警防范。46年间冬季、春季干旱呈减弱趋势，夏季和秋季干旱呈现增强趋势。季节性干旱研究可以更好服务抗旱减灾、水资源调度。